CN104075668B - 凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量方法 - Google Patents

Abstract

凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量方法，涉及非球面检测领域，解决了现有方法存在的精度低、重复性差、不准确的问题。该方法为调整干涉仪、Hindle球反射镜和凸双曲面对凸双曲面干涉检测，使面形误差均方根值最小；将激光跟踪仪靶标球放在凸双曲面外焦点，对其表面干涉检测，并将倾斜和离焦调至最小，测量其空间坐标；采用激光跟踪仪测量凸双曲面表面特征；移开凸双曲面，对Hindle球反射镜干涉检测，并将倾斜和离焦调至最小；将激光跟踪仪靶标球放在凸双曲面内焦点，对其表面干涉检测，并将倾斜和离焦调至最小，测量其空间坐标；构建检测光轴直线和间隔计算出几何量。本发明测量精度约为0.05mm，精度高，重复性好。

Description

凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量方法

技术领域

本发明涉及非球面检测技术领域，具体涉及一种凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量方法。

背景技术

在光学非球面的制造中，顶点曲率半径R、二次常数K等几何参数是表述非球面的重要参数，只有几何参数控制在其设计的公差范围内，才能够满足非球面的制造要求并应用到高质量的成像系统中。不同的非球面面形测量结构，需要采用不同的测量方法来完成。

在凸双曲面检测中，Hindle检测是经常采用的一种面形检测方法。Hindle检测属于无像差点检测方法的一种，根据双曲面的特点，位于双曲面外焦点的点光源发出的球面波经过理想双曲面反射，出射的发散光束为理想球面波，其汇聚中心位于双曲面的内焦点；设计一个球面反射镜(Hindle球)，使其球心位于双曲面的内焦点，则上述的发散光束经过Hindle球反射后沿原路返回，最后汇聚至初始的点光源。采用干涉仪配备合适的球面标准镜即可实现凸双曲面的干涉检测。

目前，对于小口径、小曲率半径的凸双曲面，Hindle检测中的几何量测量通常采用钢尺或固定长度的间隔杆等工具进行测量。这种测量方法采用人为估读的方式，并且钢尺等工具测量的精度较低；由于不能直接测量外焦点，导致测量重复性差；Hindle球存在中心孔，其与凸双曲面之间的距离测量难以操作，存在系统误差；测量中Hindle球的顶点曲率半径会耦合到测量的误差当中，影响到测量的结果。这种方法的测量精度约为0.5mm，只能在几何量公差较大时能够满足测量精度要求，并且不适合应用在大口径、长曲率半径的凸双曲面的测量。

发明内容

为了解决现有凸双曲面几何量测量方法存在的测量精度(约为0.5mm)低、测量重复性差、测量结果不准确的问题，本发明提供一种适合大口径、长曲率半径凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量方法，主要测量凸双曲面的顶点曲率半径R和二次常数K。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、调整第一干涉仪、Hindle球反射镜和凸双曲面的相对位置和角度，使第一干涉仪对凸双曲面进行干涉检测，继续调整第一干涉仪和凸双曲面使面形误差的均方根值最小；

步骤二、将激光跟踪仪的靶标球放置在凸双曲面的外焦点处，调整靶标球使第一干涉仪对靶标球表面进行干涉检测，并将检测结果中的倾斜和离焦调整至最小，同时采用激光跟踪仪测量此时靶标球的空间坐标；

步骤三、采用激光跟踪仪测量凸双曲面的表面特征；

步骤四、移开凸双曲面，调整第二干涉仪对Hindle球反射镜进行干涉检测，并将检测结果中的倾斜和离焦调整至最小；

步骤五、将激光跟踪仪的靶标球放置在凸双曲面的内焦点处，调整靶标球使第二干涉仪对靶标球表面进行干涉检测，并将检测结果中的倾斜和离焦调整至最小，同时采用激光跟踪仪测量此时靶标球的空间坐标；

步骤六、根据步骤二、三、五中的测量结果，利用激光跟踪仪中的软件构建检测光轴直线和间隔，计算出顶点曲率半径R和二次常数K。

步骤一中，所述调整第一干涉仪、Hindle球反射镜和凸双曲面的相对位置和角度，指的是调整第一干涉仪使其发出的检测光经过Hindle球反射镜的中心孔后覆盖凸双曲面的整个孔径，调整Hindle球反射镜使得检测光返回至第一干涉仪的视场内并形成干涉条纹，实现对凸双曲面面形的干涉检测。

工作原理：干涉仪对靶标球实现对准检测并将倾斜和离焦调整至接近零后(受检测环境影响不能恰好为零)，干涉仪出射光的汇聚中心就是靶标球的球心，而激光跟踪仪进行测量时的空间坐标就是靶标球的球心坐标，因此激光跟踪仪测量得到的就是干涉仪出射光的汇聚中心。根据凸双曲面的Hindle检测原理，上述的两台干涉仪出射光汇聚中心分别是凸双曲面的外焦点和内焦点，连接两个焦点的直线就是检测光路中的光轴；构建光轴与镜面的交点即为凸双曲面的顶点，并计算内外焦点到镜面顶点距离，根据凸双曲面的定义就能够计算出顶点曲率半径R和二次常数K。

本发明的有益效果是：本发明利用激光跟踪仪实现了凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量，解决了现有测量方法误差复杂、测量精度低的问题，测量结果中不包含Hindle球的顶点曲率半径误差，适合在大口径、长曲率半径的凸双曲面的测量中应用，具有原理清晰、易操作的优点，为凸双曲面反射镜的制造提供了保障，本发明的测量方法测量精度约为0.05mm，精度高。

附图说明

图1为采用本发明的方法利用激光跟踪仪测量凸双曲面表面特征和凸双曲面外焦点的示意图。

图2为采用本发明的方法测量凸双曲面内焦点的示意图。

图中：1、第一干涉仪，2、激光跟踪仪，3、Hindle球反射镜，4、凸双曲面，5、外焦点，5＇、第一干涉仪出射光的汇聚点，6、内焦点，6＇、第二干涉仪出射光的汇聚点，6″、Hindle球反射镜的球心，7、第二干涉仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量方法，所说的几何量指的是凸双曲面4的顶点曲率半径R和二次常数K，该方法包括以下步骤：

步骤一、如图1所示，调整第一干涉仪1使其发出的检测光经过Hindle球反射镜3的中心孔后覆盖凸双曲面4的整个孔径，调整Hindle球反射镜3使得检测光返回至第一干涉仪1的视场内并形成干涉条纹，实现对凸双曲面4面形的干涉检测；继续调整第一干涉仪1和凸双曲面4使面形误差均方根最小，并且倾斜和离焦也较小，记录此时倾斜和离焦的系数以进行误差补偿；

步骤二、将激光跟踪仪2放置到检测光路的侧面，并保证激光跟踪仪2能够测量到第一干涉仪1出射光的汇聚点5＇、凸双曲面4的表面和侧面、第二干涉仪7出射光的汇聚点6＇；将激光跟踪仪2的靶标球放置在球座上并安装在调整架上，然后将靶标球放置在第一干涉仪1出射光的汇聚点5＇附近，调整靶标球使得第一干涉仪1对靶标球球面进行干涉检测，继续调整靶标球使得倾斜和离焦最小，此时，第一干涉仪1出射光的汇聚点5＇与凸双曲面4的外焦点5重合，采用激光跟踪仪2测量此时靶标球的空间坐标，即凸双曲面4的外焦点5的空间坐标(x₅，y₅，z₅)；

步骤三、采用激光跟踪仪2测量凸双曲面4的表面S；

步骤四、如图2所示，移开凸双曲面4，调整第二干涉仪7实现对Hindle球反射镜3的干涉检测，并将检测结果中的倾斜和离焦调整至最小，此时，第二干涉仪7出射光的汇聚点6＇与Hindle球反射镜3的球心6″重合，注意保持Hindle球反射镜3不动，这个过程只调整第二干涉仪7；

步骤五、将激光跟踪仪2的靶标球放置在球座上并安装在调整架上，然后将靶标球放置在第二干涉仪7出射光的汇聚点6＇附近，调整靶标球使得第二干涉仪7对靶标球球面进行干涉检测，继续调整靶标球使得倾斜和离焦最小，此时，第二干涉仪7的汇聚点6＇与凸双曲面4的内焦点6重合；采用激光跟踪仪2测量此时靶标球的空间坐标，即凸双曲面4的内焦点6的空间坐标(x₆，y₆，z₆)；

步骤六、根据步骤二中测量得到的凸双曲面4的外焦点5的坐标(x₅，y₅，z₅)和步骤五中测量得到的凸双曲面4的内焦点6的坐标(x₆，y₆，z₆)构建出检测光轴直线L，光轴直线L与步骤三中测量得到的凸双曲面4表面S的交点设为C，交点C的坐标设为(x_c，y_c，z_c)，分别计算凸双曲面4的外焦点5、凸双曲面4的内焦点6与交点C的距离，外焦点5与交点C的距离设为d1，内焦点6与交点C的距离设为d2，则根据双曲面的定义，顶点曲率半径R和二次常数K分别由下面两个公式计算得到：

$R=\frac{2d1d2}{d1-d2}$

$K=-{\left(\frac{d1+d2}{d1-d2}\right)}^2;$

步骤七、误差分析；重复上述测量，检验测量的重复性精度。

Claims (1)

1.凸双曲面Hindle检测中的高精度几何量测量方法，其特征在于，该方法由以下步骤实现：

步骤一、调整第一干涉仪(1)、Hindle球反射镜(3)和凸双曲面(4)的相对位置和角度，使第一干涉仪(1)对凸双曲面(4)进行干涉检测，继续调整第一干涉仪(1)和凸双曲面(4)使面形误差的均方根值最小；

步骤一中，所述调整第一干涉仪(1)、Hindle球反射镜(3)和凸双曲面(4)的相对位置和角度，指的是调整第一干涉仪(1)使其发出的检测光经过Hindle球反射镜(3)的中心孔后覆盖凸双曲面(4)的整个孔径，调整Hindle球反射镜(3)使得检测光返回至第一干涉仪(1)的视场内并形成干涉条纹，实现对凸双曲面(4)面形的干涉检测；

步骤二、将激光跟踪仪(2)的靶标球放置在凸双曲面(4)的外焦点(5)处，调整靶标球使第一干涉仪(1)对靶标球表面进行干涉检测，并将检测结果中的倾斜和离焦调整至最小，同时采用激光跟踪仪(2)测量此时靶标球的空间坐标；

步骤三、采用激光跟踪仪(2)测量凸双曲面(4)的表面特征；

步骤四、移开凸双曲面(4)，调整第二干涉仪(7)对Hindle球反射镜(3)进行干涉检测，并将检测结果中的倾斜和离焦调整至最小；

步骤五、将激光跟踪仪(2)的靶标球放置在凸双曲面(4)的内焦点(6)处，调整靶标球使第二干涉仪(7)对靶标球表面进行干涉检测，并将检测结果中的倾斜和离焦调整至最小，同时采用激光跟踪仪(2)测量此时靶标球的空间坐标；

步骤六、根据步骤二、三、五中的测量结果，利用激光跟踪仪(2)中的软件构建检测光轴直线和间隔，计算出顶点曲率半径R和二次常数K。